DE19541812C1 - Wellendichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellendichtung zum Abdichten einer Flüssigkeit an der Durchtrittsstelle einer Welle durch eine Wand eines Gehäuses mit einem im wesentlichen rotationssymmetrischen Dichtring aus einem elastischen Werkstoff, der um seine Rotationssymmetrieachse frei drehbar, einerseits mit einer Fläche auf einer Ringkante eines ortsfest an der Welle vorgesehenen Laufkörpers und andererseits mit einer Fläche auf einer Ringkante eines ortsfest im Gehäuse vorgesehenen Laufkörpers dichtend aufliegt.

Eine derartige Dichtung ist nach dem Stand der Technik aus DE 40 38 620 A1 bekannt. Mit zwei Dichtkanten versehene, "schwimmend" angeordnete Dichtringe haben den Vorteil, daß in der Regel die für die Erwärmung und den Verschleiß maßgebliche relative Gleitgeschwindigkeit zwischen dem Dichtring und seinen Laufflächen geringer ist als bei herkömmlichen Dichtringen mit nur einer Dichtkante. Die Gleitgeschwindigkeit zwischen einem schwimmend mitrotierenden Dichtring und seinen Laufflächen ist im Idealfall jeweils halb so groß wie die eines stationären Dichtrings im Kontakt mit einer rotierenden Welle.

Schwimmende Wellendichtringe sind aus EP 0 036 281 A1, EP 114 738 B1, DE 38 33 690 A1, DE 39 20 482 A1 und DE 40 38 620 A1 bekannt. Gemäß der Lehre dieser Druckschriften gestaltete Wellendichtungen sind für das Abdichten von Flüssigkeiten konzipiert, haben sich jedoch vor allem wegen der instabilen Lage und der dadurch verursachten Leckage in der Praxis nicht bewährt. Es ist auch bekannt, Dichtringe mit kreisrundem Querschnitt aus Elastomerwerkstoffen (O-Ringe) zwischen kegeligen Laufflächen anzuordnen. Erfahrungsgemäß sind derart gestaltete Wellendichtungen jedoch aufgrund der zu geringen und über die Berührbreite ungünstig verteilten Anpressung der Dichtringe an die Laufflächen für die dynamische Abdichtung ungeeignet.

Bekannte Wellendichtringe aus Elastomerwerkstoffen erzeugen die für ein zuverlässiges Abdichten erforderliche Verteilung ihrer Anpressung an die Laufflächen durch die Asymmetrie ihrer Dichtkanten, deren Begrenzungsflächen mit den Laufflächen zur Flüssigkeitsseite hin einen größeren Winkel bilden als zur Außenseite hin. Diese Gestaltung der Dichtkanten führt allgemein bei Dichtungen aus Elastomerwerkstoff zur Bildung der bekannten "natürlichen" Rückförderstrukturen und ist gemäß dem Stand der Technik für ein sicheres Abdichten unbedingt erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig herstellbare Wellendichtung mit einem zwischen je einer stationären und einer rotierenden Ringkante frei drehbar angeordneten Dichtring zu schaffen, die ohne aufwendig gestaltete, gegenüber äußeren Einflüssen und Verschleiß empfindliche Dichtkanten Flüssigkeiten zuverlässig abdichtet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Der Dichtring liegt radial aufgedehnt beidseitig mit einer Fläche an je einer Ringkante eines mit der Welle bzw. mit dem Gehäuse verbundenen Laufkörpers dichtend an. Der Dichtring ist rotationssymmetrisch zu seiner mit der Wellenachse zusammenfallenden Rotationssymmetrieachse, ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer radialen Mittelebene und besteht vorzugsweise aus einem Elastomerwerkstoff. Wesentliches Merkmal der Wellendichtung besteht darin, daß zum Erzeugen der bereits beschriebenen, für ein sicheres Abdichten unbedingt erforderlichen Verteilung der Anpressung des Dichtrings an seine Laufkörper nicht wie bei bekannten Wellendichtringen aus Elastomerwerkstoffen asymmetrisch ausgebildete, empfindliche und relativ aufwendig herzustellende Dichtkanten erforderlich sind. Vielmehr wird die asymmetrische Pressungsverteilung erstmals durch geeignetes Gestalten der Laufkörper erreicht.

Als Dichtring eignet sich prinzipiell jeder Elastomerkörper, der stabil zwischen den Laufkörpern "schwimmt" und ausschließlich auf den dafür vorgesehenen Ringkanten aufliegt. Aus Gründen der Lagestabilität und der Kosten ist ein Dichtring mit kreisrundem Querschnitt (O-Ring) vorzuziehen. O-Ringe sind ein Massenprodukt und werden in vielen standardmäßigen Werkstoffqualitäten und Größen zu einem günstigen Preis angeboten. Die Lagestabilität von auf Ringkanten aufliegenden, aufgedehnten O- Ringen ist sehr hoch. Liegen Dichtringe unrunden Querschnitts aufgedehnt auf Ringkanten auf, so ändert ihr Querschnitt beim Verstülpen des Dichtrings seine Lage relativ zu den Ringkanten. Dadurch werden Bereiche zusätzlich aufgedehnt, andere Bereiche werden entspannt. Ein aufgedehnter Dichtring sucht immer eine Lage geringen Spannungsenergiepotentials und erreicht diese durch Verstülpen, wenn die durch die Lageänderung freigewordene Spannungsenergie die zum Verstülpen des Dichtrings erforderliche Energie übersteigt, der Dichtring also kipplabil ist. Durch Verstülpen ändern sich die Kontaktflächenwinkel zwischen dem Dichtring und den an die Ringkanten angrenzenden Flächen und damit die Verteilung der Anpressung. Würde ein O-Ring verstülpen, so blieben die Lage seines Querschnitt relativ zu den Ringkanten sowie seine Kontaktflächenwinkel unverändert. Deshalb kann sich der O-Ring durch Verstülpen nicht entspannen sondern nimmt immer Energie auf. Er ist im Gegensatz zu anderen Dichtringformen immer kippstabil.

Ein Dichtring aus Elastomer, dessen Anpreßkraft an seine Laufkörper aus seiner Aufdehnung resultiert, relaxiert abhängig von Zeit und Temperatur. Bei der erfindungsgemäßen Wellendichtung kann die dadurch bedingte Abnahme der Anpreßkraft durch eine eingelegte, nur geringfügig relaxierende Spiralzugfeder teilweise kompensiert werden. In der Dichtungstechnik sind federnde Elemente aus Stahl als Anpreßhilfen allgemein bekannt. Sie verhindern beispielsweise bei Radial- Wellendichtringen mit relaxationsgefährdeten Dichtlippen ein zu starkes Absinken der Anpreßkraft.

Umfangreiche Versuche des Autors haben gezeigt, daß das Dichtvermögen der erfindungsgemäßen Wellendichtung durch mit den Laufkörpern verbundenen, in den Flüssigkeitsraum hineinragenden Flächen gesteigert wird, mit denen der Dichtring enge Spalte bildet. Die Flüssigkeit, die durch diese Spalte zu den Dichtzonen vordringt, wird von den rotierenden Komponenten des Dichtsystems in Rotation versetzt und durch die resultierende Fliehkraft wieder nach außen getragen. Die bei Dichtsystemen mit schwimmenden Wellendichtringen immer vorhandene Fliehkraftunterstützung der Dichtwirkung wird durch dieses Gestaltungsmerkmal noch gesteigert.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Es zeigen im einzelnen

Fig. 1 und Fig. 2 je eine erfindungsgemäße Wellendichtung mit Dichtring, rotierendem und statischem Laufkörper in einem bis zur Wellenachse geführten radialen Längsschnitt (Halbschnitt).

Fig. 3 ein einbaufertiges Dichtsystem mit einem schwimmend angeordneten Dichtring runden Querschnitts in einem bis zur Wellenachse geführten radialen Längsschnitt (Halbschnitt).

Fig. 1 zeigt den Dichtring 1 aus Elastomerwerkstoff im montierten Zustand. Seine Anpressung an die Ringkanten wird von einer aufgedehnten Spiralzugfeder 6 unterstützt. Der Dichtring liegt mit einer konischen Fläche 11 einerseits auf einer Ringkante 22 eines fest mit der Welle 2 verbundenen Laufkörpers 21 und andererseits auf einer Ringkante 32 eines fest mit dem Gehäuse 3 verbundenen Laufkörpers 31 auf und bildet mit den an die Ringkanten angrenzenden Laufkörperflächen 23, 24, 33, 34 die Winkel α und β, wobei α β ist. Dadurch wird als Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der Wellendichtung erreicht, daß in der Dichtzone der Gradient der Anpressung zum Flüssigkeitsraum hin steiler ist als zum Außenraum hin. Die Winkel α und β sind vom axialen Abstand der Ringkanten unabhängig. Mit abnehmendem axialem Ringkantenabstand nimmt die Aufdehnung des Dichtrings zu.

Fig. 2 zeigt den Dichtring 1 mit rundem Querschnitt (O-Ring) aus Elastomerwerkstoff im montierten Zustand. Der rotierende und der statische Laufkörper 21 bzw. 31 weisen radial in den Flüssigkeitsraum hinein gerichtete Stirnflächen 25 bzw. 26 auf. Der O-Ring liegt auf der rotierenden Ringkante 22 und der statischen Ringkante 32 auf. Die Tangenten 13, 14 durch die Berührpunkte seines Querschnitts mit den Ringkanten bilden mit den an die Ringkanten angrenzenden Laufkörperflächen 23, 24, 33, 34 die Winkel α und β. Die Winkel α und β sowie die Aufdehnung des Dichtrings sind vom axialen Abstand der Ringkanten abhängig. Der Abstand der Ringkanten muß in weiten Toleranzgrenzen so eingestellt sein, daß α β ist und die Abstände A und B zwischen den Flächen 25 und 35 und dem Dichtring klein sind, vorzugsweise jedoch <1 mm. Dringt abzudichtende Flüssigkeit in die dadurch gebildeten, engen Spalte ein, so wird sie in Rotation versetzt und von den Dichtzonen weg nach außen gedrängt. Die Dichtsicherheit wird auf diese Weise erhöht.

Fig. 3 zeigt schematisch ein einbaufertiges Dichtsystem mit aufgedehntem, schwimmend angeordnetem Dichtring 1 runden Querschnitts (O-Ring). Der O-Ring liegt jeweils auf der Ringkante 22 eines mittels Preßsitz dicht mit der Welle 2 verbundenen, rotierenden Blechlaufkörpers 26, 27 und der Ringkante 32 eines mittels Preßsitz dicht mit dem Gehäuse 3 verbundenen, statischen Blechlaufkörpers 36 auf. Die durch Drücken, Tiefziehen, Stanzen, Abstreckziehen oder ähnlichen Verfahren hergestellten Blechlaufkörper 26 und 36 weisen zur Wellenachse geneigt in den Flüssigkeitsraum hinein gerichtete Flächen 25 und 35 auf, die mit dem Dichtring enge, vorzugsweise <1 mm breite Spalte bilden.

Claims (7)

1. Wellendichtung zum Abdichten einer Flüssigkeit an der Durchtrittsstelle einer Welle (2) aus einem Flüssigkeitsraum (4) durch eine Wand eines Gehäuses (3) in einen Außenraum (5) mit einem im wesentlichen rotationssymmetrischen Dichtring (1) aus einem elastischen Werkstoff, der einen im wesentlichen zu einer radialen Ebene (15) spiegelsymmetrischen Querschnitt aufweist und einerseits mit einer Fläche (11) an einem ortsfest an der Welle vorgesehenen Laufkörper (21) und andererseits mit einer Fläche (12) an einem ortsfest im Gehäuse vorgesehenen Laufkörper (31) dichtend anliegt, so daß die Rotationssymmetrieachse (122) des Dichtrings im wesentlichen mit der Wellenachse (22) zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring an Ringkanten (22, 32) der Laufkörper (21, 31) anliegt, die so gestaltet sind, daß die durch die Berührpunkte mit den Ringkanten (22, 32) verlaufenden Tangenten (13, 14) an die Querschnittsfläche des Dichtrings (1) mit den zum Flüssigkeitsraum an die Ringkanten anschließenden Flächen (23, 33) den Winkel α bilden und mit den zum Außenraum an die Ringkanten (22, 32) anschließenden Flächen (24, 34) den Winkel β bilden und daß α β ist, derart, daß der Pressungsverlauf in den Dichtzonen zum Flüssigkeitsraum hin einen steileren Gradienten aufweist als zum Außenraum hin.

2. Wellendichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkanten (22, 32) der Laufkörper (21, 31) angefast sind.

3. Wellendichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasen der Ringkanten (22, 32) der Laufkörper (21, 31) in Umfangsrichtung konkav oder konvex sind.

4. Wellendichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkanten (22, 32) der Laufkörper (21, 31) gleichen Durchmesser haben.

5. Wellendichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Dichtrings (1) im wesentlichen kreisrund ist.

6. Wellendichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (2) und im Gehäuse (3) senkrecht oder schräg zur Wellenachse (22) gestellte, in den Flüssigkeitsraum hineinragende Flächen (25, 35) angebracht sind und die Abstände A und B zwischen dem Dichtring (1) und diesen Flächen kleiner als 2 mm sind, derart, daß Flüssigkeit, die in die zwischen den Flächen und dem Dichtring liegenden Räume eindringt, durch Fliehkraft nach außen getragen wird und so eine Wirkung erzeugt wird, welche die Dichtfunktion der Dichtung unterstützt.

7. Wellendichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (1) mit einem radial aufgedehnten Federelement (6) versehen ist.